Учёные могли разгадать космическую тайну, которая беспокоила их с тех пор, как телескоп Джеймса Уэбба (JWST) начал свои наблюдения в 2022 году. Когда астрономы начали изучать ранние этапы развития Вселенной с помощью этого передового обсерватория, они обнаружили, что супермагнитные черные дыры, похоже, образовались еще до того, как Вселенной исполнилось 1 миллиард лет, что не укладывается в существующие модели космоса. Однако новое исследование показывает, что «феномен жора» черных дыр может объяснить, как эти космические монстры появились так рано в истории Вселенной.
«Мы обнаружили, что хаотичные условия ранней Вселенной заставили маленькие черные дыры расти до супермагнитных, поглощая материал вокруг себя», — сказал руководитель исследования Даксол Мехта из Университета Мэйнута в заявлении. «С помощью современных компьютерных симуляций мы показали, что первое поколение черных дыр — те, что возникли через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва — росло невероятно быстро, достигая размеров в десятки тысяч раз больше, чем у нашего Солнца».
Проведя сложные компьютерные симуляции, команда исследователей выяснила, что бурные и богатые газом условия первых галактик могли позволить черным дырам вступать в краткие фазы мегапоглощения, превышающие предел, известный как «предел Эддингтона». Этот предел определяет, сколько вещества может упасть на такое тело, как звезда или черная дыра, прежде чем радиация, производимая этим аккреционным процессом, отталкивает дальнейший материал, опустошая запасы газа и пыли в центральном объекте и таким образом прекращая его питание.
Периоды суперпотребления, которые выходят за рамки этого предела, известны как «супер-эддингтонская аккреция» и служат недостающей подсказкой между черными дырами, которые формируются, когда массивные звезды погибают в результате сверхновых взрывов, и монструозными супермагнитными черными дырами.
Супермагнитные черные дыры, масса которых может достигать миллионов или даже миллиардов солнечных масс, находятся в центре всех крупных галактик в современной Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиарда лет. Это не вызывает трудностей для объяснения, поскольку у них было достаточно времени для роста.
Проблема заключается в открытии супермагнитных черных дыр уже через 500 миллионов лет после Большого Взрыва, популяция которых телескоп JWST регулярно обнаруживает последние три с половиной года. Поскольку слияние и процессы поглощения, как предполагается, позволяют черным дырам достичь супермагнитного статуса, это должно занимать как минимум 1 миллиард лет.
«Это как увидеть семью, и у них есть два шестиклассника, но с ними также шестилетний ребенок», — ранее сказал член исследовательской группы, ученый из Университета Мэйнута Джон Риган. «Это немного проблематично. Как ребенок стал таким высоким? То же самое можно сказать о супермагнитных черных дырах во Вселенной. Как они стали такими массивными так быстро?»
Симуляции команды предполагают, что суперэддингтонское поглощение могло позволить первому поколению черных дыр поглотить плотный газ ранней космологии, достигая масс в десятки тысяч раз больше, чем у Солнца. Хотя это не приводит нас к супермагнитным черным дырам, это создает значительное преимущество в процессе слияния, в результате которого черные дыры увеличивающегося размера сталкиваются и соединяются, образуя еще более массивную черную дыру.
«Эти крошечные черные дыры ранее считались слишком малыми, чтобы вырасти в гигантские черные дыры, наблюдаемые в центре ранних галактик», — сказал Мехта. «Что мы показали здесь, так это то, что эти ранние черные дыры, хоть и маленькие, способны расти невероятно быстро при правильных условиях».
Исследование команды может помочь учёным определить, начинались ли ранние супермагнитные черные дыры как «легкие семена» с массой от десяти до нескольких сотен солнечных масс или как «тяжёлые семена», с массой до 100 000 солнечных масс. Ранее считалось, что только тяжёлые семена могут быть достаточно массивными для быстрого роста супермагнитных черных дыр.
«Теперь мы не так уверены», — сказал Риган. «Тяжёлым семенам требуется больше экзотических условий для формирования. Наши симуляции показывают, что черные дыры обычной звездной массы могут расти с экстремальными темпами в ранней Вселенной».
Исследование команды не только предлагает новый путь для роста супермагнитных черных дыр, но также показывает, насколько важны высококачественные симуляции в нашем исследовании раннего космоса. «Ранняя Вселенная намного более хаотична и бурна, чем мы ожидали, с гораздо большим населением массивных черных дыр, чем мы прогнозировали», — отметил Риган.
Что касается сбора доказательств этой теории, то возможно, это будет задача не для JWST или какого-либо другого традиционного астрономического аппарата, а для инструментов, разработанных для обнаружения малых колебаний в пространстве, известных как гравитационные волны, которые излучаются при таких слияниях. Особенно важным может стать первый гравитационно-волновой детектор в космосе, лазерный интерферометром космического антенны (LISA), совместная миссия Европейского космического агентства и NASA, запланированная на запуск в 2035 году.
«Будущие наблюдения гравитационных волн с этой миссии могут позволить обнаружить слияния этих маленьких, ранних, быстро растущих черных дыр», — заключил Риган.
Исследование команды было опубликовано в среду (21 января) в журнале Nature Astronomy.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий